JP2018521330A5

JP2018521330A5 - 気体監視システム及び対象気体の特性を判定する方法

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Publication number: JP2018521330A5
Application number: JP2018517118A
Authority: JP
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2036-06-10

Description

本発明は、一般に、光学的手段による気体の監視に関する。より具体的には、本発明は、気体監視システム、および気体のサンプルに光を通すことにより、対象気体の特性を判定する方法に関する。

したがって、本発明の主な目的は、上述した問題を克服する気体監視システムおよび対象気体の特性を判定する方法を提供することである。
したがって、本発明の実施形態は、添付特許クレームによる、光学的手段に基づいて気体を監視する気体監視システム、または対象気体の特性を判定する方法を提供することにより、上記のように同定した従来技術の１つ以上の欠陥、欠点もしくは問題を単独でもしくは何らかの組み合わせで好適に軽減し、緩和し、または除去するものである。

さらに、前記レトロリフレクタは、当該レトロリフレクタの中心軸周りに概ね対称的に配置され、かつ、当該レトロリフレクタによって反射された光が前記中央ミラーを介して光源に戻るのを防ぐビーム遮蔽板を備えていてもよく、前記ビーム遮蔽板は、さまざまな光路長の範囲およびビーム発散度に対して最適化された直径を有する円盤状に概ね形成してもよい。さらに、前記ビーム遮蔽板は、前記レトロリフレクタの光軸に対して傾斜した角度をなして配置してもよい。

図５ａに示すような２つの平らなミラー（２１００，２３１０）を備えるシステムは、レーザビームすなわち光線と、集束レンズ（６０００）および検出器（３０００）に到達する光線とがなす角度に関して理解するのがより容易である。２つのミラー（２１００，２３１０）間の角度と、光源（１０００）を備える光源系の光軸と、検出システム（６０００，３０００）とがなす角度との間には、直接的な対応がある。

本発明の中心的な態様を説明として、ミラーアセンブリ（２０００）の傾斜が図５ａに示すような状況になるように、検出器が最大の光強度を得るように既に調整されていると仮定する。レトロリフレクタが動かされ、すなわち回わされると、レーザ、ミラーアセンブリ、検出システム等を備える完全な機器がレトロリフレクタに対して相対的に動き、その芯合わせは失われて、検出器上での光強度が低下することになる。ある例として、図５ａに示す構成を利用して、レトロリフレクタを幾分上方へ動かすと、検出器上での光強度は、大幅に低下することになる。その場合、ミラーアセンブリは、検出器上で最大の光強度を実現するように調整される。レトロリフレクタは、上方に動かされことができ、さらにミラーアセンブリの角度αが量δだけ小さくなり得る。しかし、光は、依然として検出器上の同じスポットに合焦されている。これが本発明の中心的着想である。

レーザ（１０００）と、ミラーアセンブリ（２０００）と、外部レトロリフレクタ（２２００）と、検出器（３０００）とを備えた本発明の基本的な部分を示す図。第２のレーザ（１１００）が、ビームスプリッタ（２７２０，２７４０）およびミラー（２７００）と第２の検出器（３１００）とともに導入された場合の発明を示す図。通常の動作中の機器の完全性をチェックする手段の追加を示す図。ホルダ（２２３０）内に装着され、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す図。ホルダ（２２３０）内に装着され、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す図。ホルダ（２２３０）内に装着され、シェード、すなわちビーム遮蔽板（２２１０，２２１１）を備えたレトロリフレクタ（２２００）を示す図。ビームステアリングに用いられる２つの平らなミラー（２１００，２３１０）から成るミラーアセンブリを示す図。ミラーアセンブリ（２０００）の指向方向を変えることにより、気体監視装置を芯合わせするのに用いることができる芯合わせシステムの１つの可能性のある実施態様を示す図であって芯合わせ機構の断面を示す図６ｂのＡ−Ａ断面図。ミラーアセンブリ（２０００）の指向方向を変えることにより、気体監視装置を芯合わせするのに用いることができる芯合わせシステムの１つの可能性のある実施態様を示す図であってミラー側からのミラーアセンブリを示す図。一方の側からの芯合わせシステムを示す図。後方側からの芯合わせシステムを示す図。

図５ａは、ビーム誘導に用いられる２つの平らなミラー（２１００，２３１０）から成るミラーアセンブリを示す。中央ミラー（２１００）は、レーザ（１０００）からのわず
かに拡散したビーム（４２００）（図５ａ）をキューブコーナー（２２００）へ向ける。キューブコーナー（２２００）は、両図面において、ビーム（４２００）（図５ａ）の中心にある。キューブコーナー（２２００）は、ビーム（４３００）（図５ａ）を、ミラーアセンブリに向かって戻すように反射させる。わずかな拡散により、反射ビーム（４３００）（図５ａ）の一部は、大きな平坦ミラー（２３１０）を目標にする。反射ビーム（４４５０）は、ビーム（４４６０）をフォトダイオード（３０００）に合焦させる集束レンズ（６０００）の方に向けられる。図５ａでは、ミラーアセンブリは、角度αだけ傾斜している。ミラーアセンブリは、角度α−δだけ傾斜し得る。中央ミラー（２１００）からの反射ビーム（４３００）（図５ａ）の方向は、図５ａから２δ変更されている。キューブコーナー（２２００）から大きな平坦ミラー（２３１０）への反射ビーム（４３００）（図５ａ）の方向も、図５ａから２δだけ変更されている。大きな平坦ミラー（２３１０）の傾斜角度は、図５ａから−δだけ変更され得るので、大きな平坦ミラー（２３１０）からの反射ビーム（４４５０）の方向は、図５ａから変更されない。したがって、レンズ（６０００）からの集束ビーム（４４６０）は、フォトダイオード（３０００）で同じスポットを目標にすることになる。

図６は、ミラーアセンブリ（２０００）の指向方向を変えることによって気体監視装置を芯合わせするのに用いることができる芯合わせシステムの１つの可能性のある具体例を示す。図６ａは、ミラー側からのミラーアセンブリを示す図６ｂのＡ−Ａ断面である芯合わせ機構の断面である。図６ｃは、一方の側からの芯合わせシステムを示す。図６ｄ）は、後方側からの芯合わせシステムを示す。ミラーアセンブリ（２０００）は、鋼球（２０５０）の周りを動く。調整は、押しねじ（２０６０）によって行われるとともに、他の方向における動きは、ねじと鋼ばねとから成る引きねじを有することによって構成されている。

１０００光源、典型的にはレーザ
１１００第１のレーザとは異なる波長を有する第２のレーザ
１２００芯合わせ用レーザ、典型的には可視光、場合により赤色
２０００放物線状ミラーアセンブリ
２０５０放物線状ミラーアセンブリの揺動点すなわち回転軸
２０６０芯合わせシステムの押しねじ
２０７０芯合わせシステムの押しねじ
２１００レーザからの発散ビームを反射する平らなミラー
２２００レトロリフレクタ、キューブコーナー
２２１０シェードすなわちビーム遮蔽板
２２１１幾分大きなシェードすなわちビーム遮蔽板
２２３０レトロリフレクタ用ホルダ
２３００戻り光を検出器に合焦させる放物線鏡面
２３１０放物線ミラーと等価な平らなミラー
２５００傾斜した楔状の装置のウィンドウ
２６００結合レーザ光を平らなミラー
２１００へ反射させるミラー
２７００２つのレーザからの光を２つの検出器に対して分割するビームスプリッタ
２７２０第１のレーザを含むビームスプリッタ
２７４０第２のレーザを含むビームスプリッタ
２８１０第１のレーザからの基準信号を合焦させるレンズ
２８２０第２のレーザからの基準信号を合焦させるレンズ
２９１０第１のレーザのチェック用のスパンまたは基準セル
２９２０第２のレーザのチェック用のスパンまたは基準セル
３０００光感知検出器
３１００第２のレーザ波長からの光を検出する第２の検出器
３２００第１のレーザのチェック用検出器
３３００第２のレーザのチェック用検出器
４１００レーザからの発散ビーム
４２００平らなミラーによって反射されたレーザからのビーム
４３００放物線ミラーへの途中のキューブコーナーから反射されたビーム
４４００放物線ミラーから検出器への集束ビーム
４４１０第１の検出器に合焦されたビーム
４４２０第２の検出器に合焦されたビーム
４４５０放物線状の等価物である平らなミラーから集束レンズへ反射されたビーム
４４６０検出器への途中の集束ビーム
５０００分析する対象気体
６０００光を検出器に合焦させるレンズ

Claims

対象気体（５０００）の少なくとも１つの特性を判定する気体監視システムであって、前記気体監視システムは、少なくとも１つの光源（１０００）を備え、前記光源（１０００）は、対象気体（５０００）が少なくとも１つの吸収線を有する波長範囲内で光を照射するものであり、前記気体監視システムはさらに、レトロリフレクタ（２２００）および制御ユニットを備え、前記気体監視システムは、光を対象気体（５０００）に透過させてレトロリフレクタ（２２００）に照射するとともに、前記光を受光系に戻すものであり、前記気体監視システムはさらに、前記光を検出する少なくとも１つの光感知検出器を有する検出システムを備え、前記光感知検出器は、制御ユニットによって受信される信号を生成するものであり、前記制御ユニットは、前記気体監視システムを制御するとともに気体の少なくとも１つの特性を演算する、前記気体監視システムにおいて、
前記気体監視システムは、ミラー機構（２０００）を備え、前記ミラー機構（２０００）は、それぞれが面および光軸を備えた中央ミラー（２１００）および周囲ミラー（２３００）を備え、前記周囲ミラー（２３００）の面は、前記中央ミラー（２１００）の面を囲繞し、前記中央ミラー（２１００）および前記周囲ミラー（２３００）は、当該中央ミラー（２１００）および当該周囲ミラー（２３００）の光軸間に偏倚角度をなすように配置され、前記ミラー機構（２０００）は、指向方向を有するとともに、当該ミラー機構（２０００）を用いることのみによって、当該ミラー機構（２０００）の指向方向を調整するために揺動点（２０５０）周りに全方向に傾斜することができ、前記中央ミラー（２１００）の面は、幾何学上の中心を有し、前記揺動点（２０５０）は、前記中心の近傍に配置され、前記中央ミラー（２１００）は、前記光源（１０００）からの光を受光するとともに当該光を前記レトロリフレクタ（２２００）へ反射するものであり、前記レトロリフレクタ（２２００）は、反射された光を前記周囲ミラー（２３００）へ戻すものであり、前記周囲ミラー（２３００）は、当該光を検出システム内へ反射させるものであることを特徴とする気体監視システム。
前記気体監視システムは、複数のビームを形成するものであり、各ビームは軸を有し、光源系からのビームは、前記光源（１０００）から前記中央ミラー（２１００）へのビームと、前記中央ミラー（２１００）から前記レトロリフレクタ（２２００）へのビームと、前記レトロリフレクタ（２２００）から前記周囲ミラー（２３００）へのビームと、前記周囲ミラー（２３００）から前記検出システムへのビームとを備え、前記気体監視シス
テムは、前記レトロリフレクタ（２２００）へのビームと前記レトロリフレクタ（２２００）からのビームとが同軸であるように配置され、前記光源系から前記中央ミラー（２１００）へのビームの軸と前記周囲ミラー（２３００）から前記検出システムへのビームの軸とが非同軸とされている請求項１に記載の気体監視システム。
前記中央ミラー（２１００）の光軸と前記周囲ミラー（２３００）の光軸とがなす角度は、前記光源系の光軸と前記検出システムとがなす２倍の角度に対応している請求項２に記載の気体監視システム。
前記光源系と、前記検出システムは、異なる光軸上に位置決めされる請求項２または３に記載の気体監視システム。
前記周囲ミラー（２３００）の面は、前記中央ミラー（２１００）の面よりも大きい請求項４に記載の気体監視システム。
前記中央ミラー（２１００）は、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの１つの形態であり、前記周囲ミラー（２３００）は、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの１つの形態である請求項１から５のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記検出システムは、前記ミラー機構（２０００）と前記レトロリフレクタ（２２００）との間のビーム（４２００，４３００）の外側に配置される請求項１から６のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記光源（１０００）は、アレイ式レーザとは異なるタイプのものと同様に、垂直共振器面発光レーザ、分布帰還型レーザ、量子カスケードレーザ、インターバンドカスケードレーザ、およびファブリ・ペロー・レーザのうちの１つのレーザである請求項１から７のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記レトロリフレクタ（２２００）は、キューブコーナーまたは反射テープのうちの１つである請求項１から８のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記ミラー機構（２０００）は、当該中央ミラー（２１００）からのビームを、前記レトロリフレクタ（２２００）に向かう指向方向に向けるものである請求項１から９のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記揺動点（２０５０）は、前記指向方向の延長線の近傍において、前記中心の背後に配置される請求項１から１０のいずれか一項に記載の気体監視システム。
芯合わせ手段は、信号を監視し、かつ、最適な信号を検出しつつ、ミラーアセンブリを駆動することによって、前記ミラーアセンブリを前記レトロリフレクタ（２２００）に向けて自動的に芯合わせする手段である請求項１０または１１に記載の気体監視システム。
前記気体監視システムは、当該気体監視システムの芯合わせを容易にするために、少なくとも１つの光源（１０００）からのビームと同軸に、可視光から成るコリメートビームを送出する可視光源（１２００）を備えている請求項１から１２のいずれか一項に記載の気体監視システム。
異なる波長で機能する複数の光源（１０００，１１００）を備え、各光源（１０００，１１００）は、当該光源（１０００，１１００）からの光ビームを共通の経路に合流させ
るビームスプリッタを有し、それぞれのビームスプリッタは、各ビームスプリッタに対応する光源（１０００，１１００）からの光を反射する一方、他の光源（１０００，１１００）からの波長における光を透過させるスペクトル特性を有する請求項１から１３のいずれか一項に記載の気体監視システム。
複数の光感知検出器と、各光源（１０００）からの波長を個々の光感知検出器へ分離する複数のビームスプリッタとを備え、各光感知検出器は、各光源（１０００）から波長を個々の光感知検出器に分離する請求項１から１４のいずれか一項に記載の気体監視システム。
各光源（１０００）からの波長を分離するように時分割多重化または周波数分割多重化する請求項１４または１５に記載の気体監視システム。
前記気体監視システムは、前記ビームスプリッタからの余剰光を、複数の前記光源（１０００，１１００）ごとに設けた少なくとも１つの気体セルに透過させ、次いで、複数の前記光源（１０００，１１００）ごとに設けた少なくとも１つの追加的な光感知検出器に通すものであり、前記少なくとも１つの気体セルは、自己較正用に適しているとともに、スペクトル動作点に関して機器の完全性を監視するのに適している吸収特性を有する気体を収容している請求項１４から１６のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記レトロリフレクタ（２２００）は、当該レトロリフレクタ（２２００）の中心軸周りに対称的に配置され、かつ、当該レトロリフレクタ（２２００）によって反射された光が前記中央ミラー（２１００）を介して光源（１０００）に戻るのを防ぐビーム遮蔽板を備えている請求項１から１７のいずれか一項に記載の気体監視システム。
前記ビーム遮蔽板は、光路長の範囲およびビーム発散度に対して最適化された直径を有する円盤状に形成される請求項１８に記載の気体監視システム。
前記ビーム遮蔽板は、前記レトロリフレクタ（２２００）の光軸に対して傾斜した角度をなして配置される請求項１８または１９に記載の気体監視システム。
請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載の気体監視システムによって対象気体（５０００）の少なくとも１つの特性を判定する方法であって、
対象気体（５０００）が光源（１０００）からのビーム中に少なくとも１つの吸収線を有する範囲で光を照射するステップと、
中央ミラー（２１００）によって、光を対象気体（５０００）のサンプルに透過させるとともにレトロリフレクタ（２２００）に向けて反射させるステップと、
前記レトロリフレクタ（２２００）によって、光を、中央ミラー（２１００）を囲繞する周囲ミラー（２３００）に向けて戻すステップと、
周囲ミラー（２３００）によって、光を検出システムに向けて反射させるステップと、
検出システムに設けられた少なくとも１つの検出器によって、光を検出するステップと、
制御システムによって、検出システムからの信号を受けるとともに、気体の少なくとも１つの特性を判定するステップと、
中央ミラー（２１００）と周囲ミラー（２３００）とを備えるミラー機構（２０００）を傾斜することによって内部のみを動かすことにより、気体監視システムを芯合わせするステップと、
を備える方法。